|
作者： 吴廖 来源： 发布时间：2016-8-19 15:30:3
| ||||
在全球的量子通信竞赛中，中国虽然并不是起步最早的，但是在必威体育app官网：院士潘建伟等的不懈努力下，目前中国在量子通信领域已经实现“弯道超车”，并将成为首个将量子科学实验送入太空的国家。
今年夏天，全球首颗量子科学实验卫星（QUESS）即将带着探索星地量子通信的使命升空。但早在数年前，星地量子通信的中国梦想就已经引发了世界的关注。
2012年8月9日，国际权威学术期刊《自然》杂志以封面标题形式发表了中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟团队的研究成果：他们在国际上首次成功实现了百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发。
这一成果不仅刷新世界纪录，有望成为远距离量子通信的“里程碑”，而且为发射全球首颗“量子科学实验卫星”奠定了技术基础。该成果入选《自然》杂志公布的“2012年度全球十大新闻亮点”。
同年12月6日，《自然》杂志为该成果专门撰写了长篇新闻特稿《数据隐形传输：量子太空竞赛》，详细报道了这场激烈的量子太空竞赛。
建立“量子互联网”
七年前，潘建伟将“星际旅行”带到了中国长城。
他和他的中国科大物理学家团队从位于北京北部丘陵的长城附近的实验点，将激光瞄准了16公里之外的屋顶上的探测器，然后利用激光光子的量子特性将信息“瞬移”过去。
这个距离刷新了当时量子隐形传态的世界纪录，他们朝着团队的终极目标——将光子信息隐形传送到卫星上——迈进了重要的一步。
如果这一目标实现，它将会建立起“量子互联网”的第一个链接，这个网络将是运用亚原子尺度物理规律创建的一个超级安全的全球通信网络。这也证实了中国在量子领域的不断崛起，从十几年前并不起眼的角色发展为现在的世界劲旅。
2016年，中国将领先欧洲和北美，发射一颗致力于量子科学实验的卫星。这将为物理学家提供一个测试量子理论基础，以及探索如何融合量子理论与广义相对论（是爱因斯坦关于空间、时间和引力所提出的截然不同的理论）的全新平台。
这也将标志着潘建伟与维也纳大学物理学家Anton Zeilinger之间的友好友谊（虽然存在激烈竞争）达到高峰。Zeilinger曾是潘建伟的博士生导师；随后七年，二人在远距离量子隐形传态研究的赛跑中棋逢对手；目前他们又建立了合作关系。一旦卫星发射，两位物理学家将创建第一个洲际量子加密网络，通过卫星连接亚洲和欧洲。
“我们中国有句老话，一日为师终生为父，”潘建伟说，“科研上，Zeilinger和我平等合作，但在情感上，我一直把他当作我尊敬的长辈。”
迅速崛起
2001年，潘建伟建立了中国第一个光量子操纵实验室；2003年，他提出了量子卫星计划。那时的他才30岁出头。2011年，41岁的潘建伟成为当时最年轻的现金足球网：院士。
潘建伟小组的成员陈宇翱说：“他几乎单枪匹马地把这个项目推进下去，并使中国在量子领域有了立足之地。”
潘建伟为何有如此动力？这要追溯到上世纪80年代后期他在中国科大的本科读书经历。
那时，他第一次接触到了原子领域一些奇怪的概念。微观客体可以处于多个状态的迭加态：例如，一个粒子可以同时处在顺时针自旋状态和逆时针自旋状态，或者可以同时存在于两个地方。这种多重的个性在数学上用波函数来描述，波函数给出了粒子处于每个状态的概率。只有在粒子的某一特性被测量时，波函数才会坍塌，相应的粒子才会处于一个确定地点的确定状态。至关重要的是，即使在原则上都无法预言单次实验的结果，粒子处于每个状态的概率仅表现为一个统计分布，并且只有通过多次重复实验才能得到。
由于量子纠缠的特性，当考虑两个或更多个粒子时，情况变得更加古怪了。多粒子系统可以被制备到某种状态：即使粒子间距离遥远，即使粒子的物理性质仅当其被测量时才会存在确定的值，对于每个粒子某个物理性质的测量结果之间总是会存在某种关联性。这种怪异性就好比分别位于维也纳和北京的两位物理学家同时掷硬币，他们会发现每次结果都是正面朝上，或者都是反面朝上。
“我对这些奇怪的量子特性感到着迷。”潘建伟说，“它们几乎使我无法分心去学习其它东西。”他想验证这些不可思议的理论，但是在当时的中国，他找不到合适的量子物理实验室。
当时，像潘建伟这样处于萌芽阶段的中国物理学家，正常的发展道路就是去美国深造——对他们而言这个过程再自然不过了，事实上，当时很多中国科大的学子都戏言，他们学校的缩写“USTC”其实是“（美国人才培训中心）United States Training Centre”之意。但是潘建伟只想拜量子实验大师为师，对于他来说，这位大师就是物理学家Zeilinger。
1989年，Zeilinger曾经与两位物理学家——现纽约市立大学的物理学家Daniel Greenberger和现马萨诸塞州伊斯顿斯通希尔学院的Michael Horne——合作，发现了关于三个或更多粒子纠缠的一个重要定理。这项工作无论是对该领域还是对于Zeilinger而言，都是一个转折点。“在各种会议上，我意识到一些非常著名的年长的物理学家们开始把我看作量子专家了。”他说。
20世纪90年代中期，Zeilinger在奥地利因斯布鲁克大学建立了自己的量子实验室，并且需要一名学生来检验他的一些实验猜想。潘建伟看上去是一个理想的选择。于是，与大多数中国学生的选择不同，潘建伟来到来奥地利师从Zeilinger，与Zeilinger开始了一段决定二人此后二十年间事业上并驾齐驱的关系。
即便当时潘建伟虽然还只是名研究生，但却怀着为祖国服务的巨大心愿。第一次见面时，Zeilinger问潘建伟的梦想是什么。潘建伟回答说：“在中国建立一个像您实验室这样的领先世界的实验室。”
这给Zeilinger留下了深刻的印象。“他刚来的时候对如何在实验室工作所知了了，但他很快就掌握了游戏规则，并很快就开始创造自己的实验。”Zeilinger说，“我一直相信他会前程似锦，但没想到他居然会获得如此令人难以置信的成功，我想这是任何人都无法事先预料的。我为他感到非常骄傲。”
当潘建伟在Zeilinger实验室施展他的专业才华时，世界各地的物理学家开始慢慢认识到，曾令潘建伟着迷的、深奥难懂的量子特性可被用来创造如超强的量子计算机。
标准计算机通过编码于二进位数（一连串的“0”和“1”）上的信息而缓慢地运行。但早在1981年，物理学家Richard Feynman就指出，量子位（又称“量子比特”）不会如此步履维艰。因为一个量子比特可以同时存在于0和1的叠加，它可能会建立起更快、更强大的、能够将多个量子比特纠缠起来的量子计算机，并能以惊人的速度并行地执行某些运算。
另一个新兴的概念是极度安全的量子加密，可在如银行交易等方面获得应用。其中的关键是测量一个量子系统会不可避免地破坏这个系统。因此，发报方（通常称为Alice）和信息的接收方（通常称为Bob）两个人能够产生并共享一套量子密钥，其安全性在于来自窃听者的任何干扰都会留下痕迹。
在2001年潘建伟回到中国的时候，量子技术的潜力已经得到公认，并吸引了必威体育app官网：和中国国家自然科学必威体育app官网：员会的财政支持。“幸运的是，2000年中国的经济开始增长，因此当时立即迎来了从事科研工作的好时机。”潘建伟说。他全身心投入到了梦想中的实验室的建设当中。
与此同时，在奥地利，Zeilinger转到维也纳大学。在那里，因为他的远见卓识，Zeilinger继续创造着量子纪录。他最著名的实验之一表明，巴基球（含有60个碳原子的富勒烯分子）可以表现出波—粒二像性，这是一个奇特的量子效应，很多人曾认为在如此大的分子中不可能存在这种效应。
“每个人都在谈论可以用小的双原子分子来尝试一下这个实验。”Zeilinger回忆说，“我说，‘不，伙伴们，不要只是思考前面的一两步，请思考一下我们如何能实现一个超出所有人想象的大跳跃。’”
这使潘建伟深受教益。世界各地的物理学家们开始构思，如何利用尚未实现的量子计算机来连接未来的量子互联网。当大多数人仍满足于在实验台上安全地得到量子信息时，潘建伟已经开始思考如何能够在太空中实现信息的隐形传送。
纽约IBM的计算机科学家Charles Bennett和他的同事1993年首次提出所谓的“量子隐形传态”的概念，之所以有此名称，陈宇翱说：“它就像来自于《星际旅行》一样，”它使得关于一个量子客体的全部信息在某个地点被扫描输入，并在一个新的地点重构出来。这其中的关键就是纠缠：因为对处于纠缠态的其中一个粒子的操作会影响到另一个粒子。不管两个粒子距离多远，它们可以像一条量子电话线两端的电话机那样被操控，在两个相距甚远的地点之间传送量子信息。
当同时产生的纠缠粒子被发送到电话线连接的两端时，问题就出现了。传递过程中充满着噪音、散射相互作用和各种形式的其它干扰，任何一种干扰都会破坏隐形传态所必需的精巧的量子关联。例如，目前纠缠光子是通过光纤传输，但是光纤会吸收光，这使得光子的传输距离仅限于几百公里。标准的放大器起不到作用，因为放大过程会破坏量子信息。陈宇翱说：“要在城域距离之外实现隐形传态，我们需要卫星的帮助。”
但是当光子通过地球湍流的大气层一直向上，到达几百公里的卫星时，纠缠会不会继续保持？为了回答这个问题，潘建伟的研究团队（包括陈宇翱在内）于2005年开展了晴空下传输距离不断扩大的地基可行性实验，探究光子与空气分子发生碰撞后能否继续维持纠缠性质。但他们还需要建立一个靶标探测器，这个探测器必须小到能够装配到卫星上，并且灵敏度必须足以从背景光中筛选出被传送的光子。并且他们还得保证，他们可以将光子束足够聚焦，让其能够打到探测器。
这个工作激起了Zeilinger的竞争意识。“中国人在做了，因此我们想，为什么我们不试试呢？”Zeilinger笑着说，“一些友好的竞争总是好的。”
竞争促使光子传输距离的世界纪录不断被刷新（见下图）。在接下来的七年中，中国的研究团队通过在合肥、北京长城以及在青海开展的一系列实验，将隐形传态的距离越推越远，直到它超过97公里。
2012年5月，他们将成果张贴在物理预印本服务器ArXiv上。这让奥地利团队十分懊恼，因为他们正在撰写在加那利群岛之间隐形传态光子的实验论文。8天后，他们在ArXiv上贴出了论文，报道他们的隐形传态取得了143公里的新纪录。两篇文章最终先后发表在《自然》杂志上。
“我认为这可以表明一个事实，即每个实验都有不同以及互补的价值。”维也纳大学物理学家、奥地利团队成员马晓松说。
在自由空间量子通信领域，中国团队和奥地利团队之间不断竞争，从纠缠光子的分发到量子隐形传态，创造了一个又一个的里程碑。
两支团队都认为，向卫星进行隐形传态在科学原理上已不存在问题。目前他们亟需一颗卫星来装载功能齐备的有效载荷设备，开展相关的量子实验检验。
Zeilinger的研究组一直在与欧洲空间局（ESA）商讨建立量子卫星计划，但这些努力因拖延而渐渐告吹。Zeilinger说：“它的运行机制太慢了，以至于没有做出任何决策。”一方面是欧空局的犹豫，另一方面中国国家航天局紧抓机会，得以扩大领先优势。在此当中，潘建伟起到了决定性的推进作用，“量子卫星”计划在此推动下将于今年发射。这使得潘建伟在量子空间竞赛中处于领先地位，他的研究团队将着手开展大量的科学实验。
成功的关键
但是，如果没有通信对象，开发全球首个量子通信网络就失去了意义。因此，潘建伟邀请他从前的竞争对手加入这个项目。他们的第一个共同目标是在北京和维也纳之间生成和共享一个安全的量子密钥。
“总之，任何一个小组都无法独立完成向卫星隐形传态这一极其艰巨的任务。”马晓松说。
尽管中国政府的主要兴趣在于它可以推进技术前沿，但许多物理学家对这个卫星项目如此着迷却是因为其它原因。“作为一名科学家，驱使我不断前行的动力在于进一步探寻物理学的基础。”陈宇翱表示。
迄今为止，量子理论的奇妙之处在实验室里被不断重复检验，但这些检验却从未在太空尺度进行过。而且有理论认为，如果量子理论可能会在某处遭遇挑战，那必然是太空。大尺度是由另一个基本物理理论所掌控：广义相对论。相对论将时间作为另一种维度与三维空间交织，从而创造一个四维时空结构，包括宇宙。在巨大的物体如太阳周围，这种可塑结构将发生弯曲，表现为引力，引力将较小质量的物体如行星拉向巨大物体。
目前的挑战是，量子理论和广义相对论对时空概念有完全不同的理解，物理学家们一直致力于将它们融入一个统一的量子引力理论框架。在爱因斯坦的绘景里，即使在无穷小尺度上，时空都是完全光滑的。然而，量子不确定性却意味着不可能在如此小的距离上测量空间性质。目前尚不清楚是量子理论还是广义相对论需要进行修正，抑或二者都要进行修正。卫星实验可以帮助测试量子理论的规则在引力牵引不能被忽略的尺度上是否仍然适用。
一个明显的问题是，量子纠缠是否可以延伸到地球和卫星之间。为了回答这个问题，研究组计划在卫星上制备一系列纠缠粒子对，将每对中的两个粒子分别发送到两个地面站，然后测量两个粒子的性质以验证它们是否仍然存在关联——而且设备运转良好。
“如果纠缠不再存在，我们就不得不寻找另一种理论来代替量子理论。”研究向卫星进行隐形传态方案的瑞士日内瓦大学理论物理学家Nicolas Brunner说。
该卫星还可更进一步，检验一些候选的量子引力理论对时空结构的预言。比如，所有这些理论都预测，如果科学家能以某种方式在10~35米（即普朗克长度）这一尺度观测，空间、时间将呈现为颗粒状。如果事实确实如此，那么光子从卫星沿着这条颗粒感的道路的穿梭将会轻微减速，而且偏振方向将有一个微小、随机的偏转——这些效应应该足以被地面站记录下来。
“卫星将开启一个真正全新的窗口，通往一个实验物理学家此前从未涉足过的领域，这非常神奇。”来自意大利罗马萨皮恩扎大学的物理学家Giovanni Amelino-Camelia说。
潘建伟、Zeilinger和他们的团队正在仔细梳理近期加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所召开的一系列研讨会上提出的各种想法。在这些研讨会上，物理学家们被要求提出其它一些卫星能够测试的基础性问题。
会上所提出的这些问题包括：为何处于纠缠态的一个粒子总是知道远端那个粒子的测量结果呢？纠缠量子对是否是通过某种未知的信息通道进行通信？在测量时，什么导致量子波函数坍塌？引力是否在以某种不确定的方式在起作用？时间到底是像广义相对论中所描述的是精确定义的量，还是量子力学所预言的模糊量？
潘建伟说，要回答这一类的问题，需要极度精密的实验仪器。但只要各团队能够团结协作，克服他们提出的技术挑战将更加容易。
奥地利的研究团队同样也以饱满的热情加入新的合作。就像Zeilinger所言：“我的一个学生正开始学习汉语。”■
《科学新闻》 (科学新闻2016年5月 |
